Tegenwoordig krijgt het wetenschappelijke beeld van de wereld zo vorm dat ons universum wordt beheerst door twee sets wetten: de algemene relativiteitstheorie, die het prachtige werk van de zwaartekracht verklaart, en de kwantummechanica, die de andere drie interacties van het universum beschrijft (sterk nucleair, zwak nucleair en elektromagnetisme). Je kunt deze wetten nemen en ze toepassen op dingen op grote schaal - planeten, melkwegstelsels en dan op de kleinste schaal - protonen en neutronen. Maar waarom heeft de natuur twee aparte sets wetten voor het universum gemaakt?
De supersnaartheorie is een poging om twee vragen te beantwoorden: is er een manier om de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica te combineren om een "theorie van alles" te creëren? Waar bestaat het allemaal uit?
Supersnaartheorie
Vroeger dachten we dat de bouwstenen van het leven atomen waren, de kleinste componenten van materie. Maar toen raakten we de atomen en vonden elementaire deeltjes, zo klein dat we ze niet eens kunnen zien zonder op een bepaalde manier te veranderen. Om iets te kunnen zien, hebben we het licht nodig dat eerst van het object weerkaatst en onze ogen raakt, waardoor het beeld ontstaat. Licht bestaat uit elektromagnetische golven die vrij door elementaire deeltjes gaan. We kunnen deze golven dichter maken, er energie aan toevoegen zodat ze de deeltjes raken en we ze kunnen zien, maar zodra iets het deeltje raakt, verandert het, dus we kunnen het niet in zijn oorspronkelijke staat zien. We hebben geen idee hoe elementaire deeltjes eruit zien. Net als donkere energie, donkere materie, kunnen we deze verschijnselen niet rechtstreeks waarnemen, maar we hebben reden om te gelovendat ze bestaan.
We beschouwen deze deeltjes als punten in de ruimte, hoewel ze dat in werkelijkheid niet zijn. Ondanks al zijn tekortkomingen geeft deze methode - het idee van de kwantummechanica dat krachten worden gedragen door deeltjes - ons een redelijk goed beeld van het universum en leidt tot doorbraken zoals kwantumoplosmiddelen en magnetische levitatietreinen. De algemene relativiteitstheorie zelf heeft ook een goede tand des tijds doorstaan door neutronensterren en de afwijkingen in de baan van Mercurius te verklaren, zwarte gaten en gebogen licht te voorspellen. Maar de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie werken helaas niet meer in het midden van het zwarte gat en aan de vooravond van de oerknal. Het probleem is dat het onmogelijk is om ze samen te brengen, omdat zwaartekracht wordt geassocieerd met de geometrie van ruimte en tijd, wanneer afstanden nauwkeurig worden gemeten, maar in de kwantumwereld is er geen manier om iets te meten.
Toen wetenschappers probeerden een nieuw deeltje uit te vinden dat de zwaartekracht zou combineren met de kwantummechanica, faalde hun wiskunde gewoon.
In zekere zin moest ik terug naar het schoolbord. Daarom hebben wetenschappers gesuggereerd dat de kleinste componenten van het universum geen punten zijn, maar snaren. Verschillende trillingen van snaren creëren verschillende elementaire deeltjes zoals quarks. De trillende snaren zouden alle materie en alle vier de krachten in het universum kunnen vormen - inclusief de zwaartekracht.
Promotie video:
Hogere afmetingen
De supersnaartheorie heeft een probleem. Het zal niet werken als we aannemen dat er maar drie ruimtelijke dimensies en één temporele dimensie zijn waarin we leven. Snaartheorie vereist dat je ten minste tien dimensies speelt.
Toen GR voor het eerst werd bedacht, vervormde de zwaartekracht ruimte en tijd om deze kracht te beschrijven. Daarom, als iemand een andere kracht zou willen beschrijven, zoals elektromagnetisme, zou hij een nieuwe dimensie moeten toevoegen. Wetenschappers schreven vergelijkingen die de krommen en defecten van het universum beschrijven met een extra dimensie, en verkregen de oorspronkelijke vergelijking van elektromagnetisme. Een geweldige ontdekking.
De extra dimensies van de snaartheorie kunnen ons helpen verklaren waarom de getallen in ons universum zo gekalibreerd zijn dat ze alles laten bestaan. Waarom is de lichtsnelheid bijvoorbeeld 299.792.458 meter per seconde? Ze proberen ook de vraag over de zwaartekracht te beantwoorden: waarom is deze kracht zo zwak? Het is de zwakste van de vier fundamentele interacties: 1040 keer zwakker dan de elektromagnetische kracht. Het is voldoende om gewoon voorover te buigen en het boek van de vloer te tillen om het te weerstaan. In theorie komt dit doordat de zwaartekracht naar hogere dimensies sijpelt. De zwaartekracht bestaat uit strengen met een gesloten lus waardoor ze onze dimensie kunnen verlaten, in tegenstelling tot open strengen, die beter geaard zijn.
Waarom kunnen we niet al deze dimensies zien?
Omdat ze op zo'n klein niveau bestaan dat ze voor ons onzichtbaar zijn en detectie trotseren. Ze zijn compact, zo uitgerust dat ze de fysica van onze wereld reproduceren en opvouwen tot interessante Calabi-Yau-vormen. Verschillende vormen van Calabi Yau zorgen voor verschillende snaarvibraties en zeer verschillende universums.
We kunnen zelfs vermeende meerdere universums testen. Omdat we aannemen dat zwaartekracht naar hogere dimensies sijpelt, zou er na de botsing van twee deeltjes minder tijd moeten zijn dan vóór de botsing. Maar zelfs onder de meest gunstige omstandigheden zou het testen van zoiets als dit ongelooflijk moeilijk en ongrijpbaar zijn.
Snaartheorieberekeningen worden gedaan in gesimuleerde universums met 10 of 11 dimensies waar wiskunde werkt. Wetenschappers proberen vervolgens de extra dimensies uit te wissen, maar tot nu toe is het niemand gelukt ons universum te beschrijven of een experiment te bedenken om een theorie te bewijzen. Dit betekent echter niet dat we geen toepassingen hebben voor snaartheorie.
Een wiskundig hulpmiddel dat wordt ontwikkeld als onderdeel van onderzoek naar snaartheorie, helpt ons delen van ons universum te begrijpen. We kunnen het gebruiken om de informatieparadox, de kwantumzwaartekracht en enkele problemen in zuivere wiskunde beter te verklaren. Sommige wetenschappers gebruiken de theorie voor hun berekeningen in de deeltjesfysica of bij het observeren van exotische toestanden van materie.
Snaartheorie is misschien niet een theorie van alles, maar het is in ieder geval een theorie van iets.
Ilya Khel
